新型双陷波超宽带印刷天线设计

林　滑，余厉阳，孟凡亮，谈　琦

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)



新型双陷波超宽带印刷天线设计

林滑，余厉阳，孟凡亮，谈琦

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

提出一种新型的具有双陷波特性的印刷超宽带单极子天线.通过Y型结构馈电，采用辐射贴片切角和弧形地等手段来拓宽天线带宽，刻蚀缝隙来产生陷波特性，并通过调整缝隙的长度和位置来改变陷波频率.用26.4 mm×25 mm的FR4板制成实物，使用安捷伦矢量网络分析仪E8363B测试.测试结果表明，天线在3～16.9 GHz频段内的驻波比小于2，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz频段内产生陷波.最后，仿真和实测数据表明，该天线具有结构简单、制造容易、对称性好、带宽大等优点.

陷波特性；辐射模式；单极性天线；高频干扰

0　引　言

2002年，美国联邦通信委员会批准将3.1～10.6 GHz用于商用的超宽带通信系统.超宽带通信系统应用于短距离通信和遥感，具有数据传输速度快、频谱功率密度低、测距精度高、成本低、复杂度低等优点，因而在无线通信领域引起了广泛重视.

超宽带通信系统的关键技术在于设计一种结构紧凑且具有宽带特性的天线.早期的超宽带天线有文献[1]提出的双锥形结构和文献[2]提出的圆形贴片结构.文献[3]利用了三叉形结构和锥形阻抗变压器，使其电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，频率范围为2.75～16.2 GHz.然而，超宽带系统的工作频率往往会对当前的无线通信系统造成干扰.虽然空间滤波器可以抑制干扰信号，但占用了较大的空间.10.6 GHz以下的系统采用具有陷波特性的超宽带天线，可以避免频谱冲突[3-6].而天线的陷波特性通常利用嵌入缝隙的方法来实现[7].

本文采用嵌入缝隙的方法，设计一种具有双陷波特性的超宽带天线，有效地避免与WiMAX和WLAN通信信号产生的干扰，实测效果良好.

1　天线结构分析

图1所示为3种常见的天线结构，并设计了相关尺寸.其中超宽带天线采用Y型弧结构馈电，以及辐射贴片切角和弧形接地板等设计手段.

利用MICROWAVE STUDIO进行仿真，得到仿真结果如图2所示.由图2可知，矩形单极印刷天线的阻抗带宽小.由于锥形天线在较大的一段频率范围内输入阻抗变化小[1]，带切角的单极印刷天线的频率覆盖范围可达到2.9～13.6 GHz，VSWR<1.5.而无陷波特性的超宽带天线的频率覆盖范围为2.5～18 GHz，VSWR<2.因此采用超宽带天线结构，可以大大地拓展天线的频率覆盖范围.

图1　3种带天线结构及相关尺寸参数(单位：mm)

图2　3种天线结构的回波损耗仿真结果

2　天线设计

为拓宽天线的带宽，采用图1(c)所示结构，并通过在辐射贴片增加2个缝隙(即缝隙1和缝隙2)产生陷波，实现双陷波特性.辐射贴片上的每个缝隙相当于1个LC谐振电路，且其品质因数Q值很大[6-7].天线的阻抗特性在谐振频率点上发生改变，并产生陷波特性，且缝隙总长度约为陷波中心、频率波长的一半.因此调节缝隙总长度可以改变谐振频率，并在特定的频率段实现陷波.

由于电流存在边缘效应，令缝隙1尽量靠近贴片的下边缘位置，可在陷波频率范围产生强烈的共振，实现较好的陷波效果.不断调整缝隙2在辐射贴片上的位置，可以发现当缝隙2靠近贴片上边缘时，3.5 GHz陷波处的VSWR增大，而5.5 GHz陷波处的VSWR减小，如图3所示.相反，当缝隙2靠近缝隙1时，5.5 GHz陷波处的VSWR增大，3.5 GHz陷波处的VSWR减小.因此，为保证这2个陷波频段上的整体效果，令y=5.6 mm.

图3　缝隙2的位置变化对陷波特性的影响

综上得到双陷波超宽带天线的结构示意图如图4所示，图中用字母变量表示天线各部分结构的尺寸，其中形如(A,B)的参数表示以(0,0)点为原点的各个圆弧形结构的圆心坐标.天线最优的尺寸参数设计如表1所示.

图4　具有双陷波特性的超宽带天线结构图

3　仿真与实测

对天线频率覆盖范围内的驻波比进行仿真，得到仿真如图5所示.图5(a)中，天线的带宽较宽，频率覆盖范围达到3～16.9 GHz，具有陷波特性的天线在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz频段处产生陷波.在天线频率覆盖范围内，其驻波比由输入阻抗决定.如图5(b)所示，天线在3.5 GHz频率点附近，输入阻抗小(实部接近于0，虚部为0)，在5.5 GHz频点附近，输入阻抗值的实部达到最大值，虚部为0.因此天线在这2个频率点及其附近有严重的阻抗失配，形成陷波且效果良好.

图5　双陷波超宽带天线仿真图

表面电流的分布情况如图6所示.在3.5 GHz陷波处，表面电流主要分布在缝隙2附近；在5.5 GHz陷波处，表面电流主要分布在缝隙1附近.此时，缝隙相当于一个谐振器，起到滤波功能，这使天线在3.5 GHz和5.5 GHz附近的辐射效率大大下降并实现陷波.

图6　不同频段上双陷波超宽带天线的表面电流分布仿真图

综上所述，仿真实验表明该天线陷波效果良好，可以有效地避免与WiMAX和WLAN通信信号产生干扰.该天线不仅可以作为超宽带天线，而且可以在多个频段内接收、发送信息.

根据图4和表1制作具有双陷波特性的超宽带天线.采用成本较低的FR4基板，基板厚度为1.6 mm，大小为26.4 mm×25 mm，其相对介电常数εr=4.3，损耗因数为0.02.微带线宽度设为3 mm，其特性阻抗为50 Ω.并在天线测试暗室内对超宽带天线的性能进行测试.

利用安捷伦矢量网络分析仪E8363B得到该天线的驻波比实测值，并与仿真值进行比较.结果表明双陷波超宽带天线的实测结果与仿真结果基本一致，导致细微误差的原因可能出现在加工过程中，如加工导致介质板的介电常数改变和厚度不均匀、表面加工误差等.图7(a)表明天线的实测频率覆盖范围为3.0～16.9 GHz，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz产生陷波，且其陷波效果比预计的更好.由图7(b)可知陷波频段内天线的增益明显下降，可以有效地抑制与WLAN和WiMAX通信信号产生干扰.

图7　双陷波超宽带天线的实测参数

此外，图8分别表示3个频率点4.5 GHz，10 GHz，15 GHz上的E面和H面方向图.可以看出，天线在H面上几乎为全向辐射模式.而在E面，随着频率的增加，天线辐射信号出现一定的失真.因此，可以认为该天线在超宽带范围内具有良好的辐射特性.

图8　双陷波超宽带天线实测方向图

4　结束语

针对超宽带通信系统提出了一种新型小型化的具有双陷波特性的超宽带天线.采用Y型弧结构馈电，同时利用辐射贴片切角和弧形接地板等设计手段将超宽带天线频率覆盖范围扩展到3.0～16.9 GHz.采用刻蚀缝隙的方式，在3.1～3.7 GHz和5～5.8 GHz实现陷波特性，避免了WiMAX和WLAN通信信号的干扰.作为一种多频段收发的超宽带天线，满足移动终端多频段通信的要求，达到了天线阻抗带宽和方向性的使用要求，具有较强的实用性.

[1]SCHANTZ, H.G. A brief history of UWB antennas[J]. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 2004, 19(4):22-26.

[2]LIANG J, GUO L, CHIAU C C, et al. CPW-fed circular disc monopole antenna for UWB applications[C]// IEEE International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials. IEEE, 2005:505-508.

[3]WU Q, JIN R, GENG J, et al. Printed Omni-Directional UWB Monopole Antenna With Very Compact Size[J]. Antennas & Propagation, IEEE Transactions on, 2008, 56(3):896-899.

[4]DONG Y D, HONG W, ZHEN Q K, et al. Analysis of Planar Ultrawideband Antennas With On-Ground Slot Band-Notched Structures[J]. Antennas & Propagation,IEEE Transactions on, 2009, 57(7):1886-1893.

[5]JIANG W, CHE W. A novel UWB antenna with dual notched bands for WiMAX and WLAN applications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2012, 11(1):293-296.

[6]LEE D H, YANG H Y, CHO Y K. Ultra-wideband tapered slot antenna with dual band-notched characteristics[J]. Iet Microwaves Antennas & Propagation, 2014, 8(8):29-38.

[7]ZAKER R, ABDIPOUR A. A Very Compact Ultrawideband Printed Omnidirectional Monopole Antenna[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2010, 9(1):471-473.

Design and Analysis of a New Printed Ultra-wideband Antenna with Dual Band-notched Characteristics

LIN Hua,YU Liyang, MENG Fanliang, TAN Qi

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper presents a new printed ultra-wideband(UWB) monopole antenna with band-notched characteristics. The antenna is fed by arc shaped Y structure, which is etched on an FR4 substrate with the size of 26.4 mm*25 mm. To broaden the bandwidth by the way of radiation patch cutting angle and arc treatment on the ground. The band-notched characteristic implemented by etching slots, and the band-notched frequency is adjustable with the total length of the slots. We test the antenna with an Agilent vector network analyzer E8363B. The result shows that the voltage standing wave ratio(VSWR) is less than 2 in the 3.0 GHz and 16.9 GHz range.The band-notched characteristic can be observed in the range of 3.3 to 4.0 GHz and 4.8 to 6.0 GHz. The simulation and experimental results show that the antenna has the advantages of simple structure, easy manufacture, good symmetry and wide bandwidth.

band-notched characteristics; radiation patterns; monopole antenna; radio frequency interference

10.13954/j.cnki.hdu.2016.05.002

2016-03-18

林滑(1992-)，女，浙江台州人，硕士研究生，射频技术.通讯作者：余厉阳副教授，yuliyang@hdu.edu.cn.

TN821

A

1001-9146(2016)05-0006-05